從5G到6G，為什么天線(xiàn)系統規模越來(lái)越大？

當前，全球5G發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入關(guān)鍵期，滲透率在快速提升，5G在各行各業(yè)逐漸完成場(chǎng)景落地。根據中國網(wǎng)信辦的統計數據，截至2021年底，中國已建成142.5萬(wàn)個(gè)5G基站，總量占全球60%以上，5G用戶(hù)數達到3.55億戶(hù)。而就在5G發(fā)展如火如荼的同時(shí)，全球主要國家已經(jīng)投身6G研究。

圖1：中國5G基站數量占比

（圖源：中國信通院）

6月21日，中國移動(dòng)對外發(fā)布《6G網(wǎng)絡(luò )架構技術(shù)白皮書(shū)》，這是業(yè)界首次系統化發(fā)布6G網(wǎng)絡(luò )的架構設計。同時(shí)，在第二屆全球6G技術(shù)大會(huì )上，美英日加等國也深入探討了6G相關(guān)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和場(chǎng)景落地。從5G到6G，天線(xiàn)系統升級是關(guān)鍵所在。本文主要闡述在當前的6G研究中，天線(xiàn)系統的顯著(zhù)特征，以及貿澤電子在售的電子元器件如何助力實(shí)現這些復雜的系統級設計。

6G帶來(lái)的更大規模天線(xiàn)挑戰

在2022世界移動(dòng)通信大會(huì )上，大會(huì )主辦方全球移動(dòng)通信系統協(xié)會(huì )發(fā)布報告指出，預計到2022年底，全球5G連接數量將超過(guò)10億。并且報告中還提到，2022年至2025年運營(yíng)商6,200億美元（預計金額）資本支出中的85%將用于5G發(fā)展。隨著(zhù)基站覆蓋率不斷提升，終端連接數量暴漲，現階段5G發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入深水區。

在此過(guò)程中，5G的身份也在發(fā)生著(zhù)悄然的變化，從運營(yíng)商圈定用戶(hù)的新世代網(wǎng)絡(luò )，變成了數字經(jīng)濟的筑基技術(shù)。在短視頻、4K/8K高清視頻、網(wǎng)絡(luò )直播等領(lǐng)域初顯威力后，目前5G+工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心，除了網(wǎng)速更快以外，5G在高寬帶、低延遲和廣泛連接方面的潛力逐漸被挖掘出來(lái)。

然而，隨著(zhù)5G創(chuàng )新項目和示范項目越來(lái)越多，5G的短板也開(kāi)始顯現。比如在覆蓋性方面，5G依然只能覆蓋陸地區域，而無(wú)法覆蓋地球面積占比更大的海域，以及空中；在連接范圍方面，5G在應對密集型場(chǎng)景時(shí)依然會(huì )有局限性；在低延遲方面，5G在自動(dòng)駕駛和一些工業(yè)場(chǎng)景下依然被認為是需要優(yōu)化的。要解決這些難題，就只能寄希望于下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )——6G。

相較于5G，6G在傳輸速度、傳輸容量、傳輸空間和覆蓋范圍等方面有明顯優(yōu)勢。

傳輸速度

6G可能會(huì )是當前5G峰值速度的100倍，網(wǎng)絡(luò )延遲從毫秒級降低到微秒級，虛擬現實(shí)和自動(dòng)駕駛等場(chǎng)景都將因此受益。

傳輸容量

6G將使用“空間復用技術(shù)”，容量達到5G基站的1,000倍以上，連接設備密度達到每立方米數百個(gè)，更加有利于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

傳輸空間

6G將采用空天地一體化網(wǎng)絡(luò )，打通了衛星和地面基站的通信。

覆蓋范圍

6G將在地球上形成無(wú)所不在的全覆蓋網(wǎng)絡(luò )，在海上和山區也不用擔心無(wú)法通信。

為了完成這些關(guān)鍵指標，6G除了使用“空間復用技術(shù)”以外，也會(huì )將通信頻率提升到太赫茲級別，這個(gè)頻率已經(jīng)接近分子轉動(dòng)能級的光譜，在單節點(diǎn)信號覆蓋以及抗干擾方面面臨著(zhù)更大的挑戰。再考慮上述提到的6G單節點(diǎn)容量提升，因此6G對通信設備的天線(xiàn)系統提出了非常高的要求。

相較于5G天線(xiàn)核心技術(shù)——大規模MIMO，6G采用陣列規模更大的超大規模MIMO，每一個(gè)陣列中還會(huì )融合感知通信、數字波束控制、AI賦能等創(chuàng )新技術(shù)，具備寬動(dòng)態(tài)、多波束的典型特征。為了支持更寬的頻段，提升單基站的通信容量，在基站側配置的超大規模天線(xiàn)陣列會(huì )有幾十個(gè)甚至是上千個(gè)。并且為了支持更高頻通信，高增益天線(xiàn)也是不可或缺的。

在具體實(shí)施層面，6G全新的天線(xiàn)設計又需要具備體積小、重量輕、低成本、低功耗、架構靈活等特點(diǎn)。也就是說(shuō)，理想的6G基站天線(xiàn)系統相較于現有的大規模天線(xiàn)陣列，體積相當，甚至是更小，且因為AI和通信技術(shù)深度融合，6G天線(xiàn)陣列規模雖然很大，但功耗更低，且更加靈活。

當然，和過(guò)往每一代通信技術(shù)的天線(xiàn)系統一樣，在6G超大規模天線(xiàn)系統里，電子元器件依然是核心支撐，是系統的基石。在探索和打造6G超大規模天線(xiàn)系統，乃至整個(gè)6G通信系統的過(guò)程中，貿澤電子都是理想的電子元器件采購平臺。下面，我們就為大家推薦幾款貿澤電子平臺上在售的，適用于大規模天線(xiàn)陣列的元器件。

適用于高頻、高速通信的整體連接器方案

如上所述，無(wú)論是當前的5G，還是未來(lái)的6G，天線(xiàn)系統都將采用大規模MIMO或者超大規模MIMO。硬件組成上，會(huì )有數個(gè)、數十個(gè)，甚至是上千個(gè)天線(xiàn)陣列構成大規模天線(xiàn)系統，那么在系統中起到連接作用的連接器便顯得尤為重要。然而我們今天并不是向大家推薦某一款連接器，而是貿澤電子平臺上在售的來(lái)自制造商Samtec的連接器整體解決方案。

在微波和毫米波技術(shù)領(lǐng)域，Samtec提供精密射頻連接器和電纜組件，支持最高110GHz的高頻段，并提供出色的可重復性和低VSWR。

圖2：Samtec精密射頻連接器和電纜組件

（圖源：貿澤電子）

Samtec精密射頻連接器和電纜組件擁有1.85mm、2.40mm、2.92mm、3.50mm和SMPM（微型連接器）五大系列。其中，1.85mm、2.40mm、2.92mm和3.50mm均是基于空氣介質(zhì)設計，擁有低電壓駐波比和插入損耗，它們之間擁有出色的互連性，1.85mm可與2.40mm相匹配，2.92mm、3.50mm和SMA可配合使用，并且這些堅固的接口可以幫助系統實(shí)現一致、可靠的性能；SMPM屬于微型連接器，比SMP小30%，通過(guò)推入式設計，可實(shí)現快速、方便地接合，借助子彈型適配器還可以做到板對板盲插。

在貿澤電子上，通過(guò)任意一款Samtec精密射頻連接器和電纜組件的產(chǎn)品詳情頁(yè)都可以瀏覽到Samtec在這方面的完整解決方案，比如1.85mm系列中的PRF18-J-C-EP-085-BS，大家可以通過(guò)搜索此制造商編號快速查詢(xún)到這個(gè)器件。

在時(shí)下熱門(mén)的5G通信方面，Samtec面向測試和開(kāi)發(fā)系統、遠程無(wú)線(xiàn)電和有源天線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò )設備以及汽車(chē)和運輸領(lǐng)域推出了不同類(lèi)型的連接器產(chǎn)品線(xiàn)，滿(mǎn)足相關(guān)領(lǐng)域對于5G技術(shù)所需的超高頻率和高數據速率需求幫助實(shí)現mmWave、大規模 MIMO、波束成形和全雙工等5G典型技術(shù)應用。

圖3：Samtec 5G解決方案

（圖源：貿澤電子）

在5G測試和開(kāi)發(fā)系統方面

Samtec廣泛的產(chǎn)品組合和高性能互連專(zhuān)業(yè)技術(shù)可以在測試和測量設備之間實(shí)現5G系統原型設計和連接。

在遠程無(wú)線(xiàn)電和有源天線(xiàn)方面

Samtec提供全系列解決方案幫助設計師在更小的外形下實(shí)現大規模MIMO和波束成形等技術(shù)。

在網(wǎng)絡(luò )設備方面

Samtec的高性能互連專(zhuān)業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品解決方案使得這些設備具有可擴展性、智能性和靈活性。

在汽車(chē)和運輸領(lǐng)域

Samtec不斷擴展的汽車(chē)互連產(chǎn)品組合讓汽車(chē)更智能，改善交通流量并提高安全性。

MEC5-070-01-L-DV-W1-K-TR（制造商編號）為一款Samtec MEC5超高密度微型插卡式插座，與較為常見(jiàn)的0.80mm間距解決方案相比，此0.50mm間距超高密度插卡式插座可大大節省空間，適用于5G遠程無(wú)線(xiàn)電和有源天線(xiàn)等高密度應用。在貿澤電子平臺上，通過(guò)MEC5-070-01-L-DV-W1-K-TR詳情頁(yè)的最下方信息，便能夠找到Samtec 5G解決方案的入口。

適用于大規模MIMO的射頻功率氮化鎵晶體管

在5G逐漸從Sub-6G頻段升級到豪米波頻段的過(guò)程中，使用包括很多天線(xiàn)在內的天線(xiàn)陣列成為唯一的選擇，以克服材料的物理極限，以及國家政策對于發(fā)射功率的限制。而到了6G時(shí)代，更高的載波頻率以及更大的通信容量，意味著(zhù)超大規模MIMO在基站中更是不可或缺的一環(huán)。

我們接下來(lái)要介紹的這款器件，便是適用于5G基站大規模MIMO有源天線(xiàn)系統的A3G26D055N Airfast? 射頻功率氮化鎵晶體管，來(lái)自制造商NXP Semiconductors，貿澤電子網(wǎng)站上該器件的制造商編號為A3G26D055NT4，大家可以通過(guò)搜索此編號迅速找到這顆元器件。

圖4：NXP A3G26D055N Airfast?射頻功率氮化鎵晶體管

（圖源：貿澤電子）

A3G26D055N Airfast? 射頻功率氮化鎵晶體管（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：A3G26D055N）設計用于需要非常寬的瞬時(shí)帶寬能力的蜂窩基站應用，采用8W對稱(chēng)式Doherty設計，支持100MHz至2,690MHz的寬頻率范圍。通過(guò)下圖能夠看到，該器件在2675MHz時(shí)的功率增益為18db（典型值），效率為54.1%。以往“帶寬較低”這一困擾MEMS電容式加速度計的問(wèn)題，也得到了極大的改善?？梢韵胍?jiàn)，MEMS電容式加速度計的發(fā)展正在拉低CbM和預測性維護的“門(mén)檻”，使得這一技術(shù)能夠滲透到電機應用的更多場(chǎng)景。

圖5：A3G26D055N性能表現

（圖源：貿澤電子）

面向5G基站的大規模MIMO有源天線(xiàn)系統應用，A3G26D055N經(jīng)過(guò)了專(zhuān)門(mén)的性能優(yōu)化，具有高端子阻抗，實(shí)現出色的寬帶性能，并通過(guò)新一代信號技術(shù)改善線(xiàn)性化誤差矢量幅度，能夠承受非常高的輸出VSWR和寬帶工作條件。此外，該器件采用的緊湊的7.0mm x 6.5mm DFN-6封裝，非常有利于整體實(shí)現小型化和高集成。

除了特別適用于5G基站的大規模MIMO有源天線(xiàn)系統，A3G26D055N在W-CDMA和LTE、宏蜂窩基站驅動(dòng)器、微蜂窩基站以及小型蜂窩末級等領(lǐng)域同樣能夠發(fā)揮出色的性能。

可用于5G大規模MIMO的雙通道開(kāi)關(guān)LNA模塊

接下來(lái)，我們?yōu)榇蠹彝扑]的是一款可用于5G大規模MIMO的雙通道開(kāi)關(guān)LNA模塊。LNA（Low Noise Amplifier）為低噪聲放大器，可用于射頻接收和發(fā)射電路。其中，在射頻接收電路中，LNA模塊可提升接收靈敏度，消除濾波電路造成的衰減問(wèn)題。

我們今天推薦QPB9378雙通道開(kāi)關(guān)LNA模塊來(lái)自制造商Qorvo，該器件在貿澤電子平臺上的制造商編號為QPB9378TR13。

圖6：Qorvo QPB9378雙通道開(kāi)關(guān)LNA模塊

（圖源：貿澤電子）

QPB9378TR13是一款面向5G TDD基站的高度集成的RF前端模塊，采用雙通道配置，集成了兩級LNA和大功率SPDT開(kāi)關(guān)。QPB9378TR13在低增益模式下，具有第二級LNA（具有旁路功能）和LNA掉電模式（發(fā)射模式下）。

QPB9378TR13可在2.3-5.0 GHz范圍內工作。在接收模式的低增益狀態(tài)下，增益為14.5dB，OIP3為+34.5dBm，噪聲系數為1.25dB；在接收模式的高增益狀態(tài)下，增益為33.5dB，OIP3為+33dBm，噪聲系數為1.25dB；在發(fā)射模式下，平均功率處理能力為20W，插入損耗為0.5dB。

QPB9378TR13采用6mm x 6mm的緊湊封裝尺寸，不僅是在5G大規模MIMO領(lǐng)域，在小型蜂窩BTS、無(wú)線(xiàn)基礎設施和基于TDD的架構等方面都能夠體現出高性能和高集成優(yōu)勢。

通信技術(shù)的未來(lái)發(fā)展

正如中國工程院院士鄔賀銓所言，“正在研發(fā)中的6G，需要吸取5G的經(jīng)驗，不能簡(jiǎn)單地再將峰值速率提高1,000倍為目標，還得考慮如何才能滿(mǎn)足大眾的應用需求?！憋@然，包括當下熱議的6G，以及未來(lái)世代的通信技術(shù)，絕不僅僅是單純以提升網(wǎng)速為目的，超高帶寬、超低時(shí)延、超大容量以及和人工智能技術(shù)的深度融合等會(huì )為每一代通信技術(shù)帶來(lái)巨大的改變，當然還會(huì )有更多的原始創(chuàng )新技術(shù)加入進(jìn)來(lái)。

在可預見(jiàn)的6G時(shí)代，超大規模MIMO和波束成形技術(shù)依然會(huì )是通信基礎設施升級的核心技術(shù)，而幫助實(shí)現這些技術(shù)的是設備里一顆顆高性能的射頻連接器、電纜組件和種類(lèi)豐富的射頻器件，它們匯聚在貿澤電子平臺上，又四散到每一個(gè)工程師的手中，并在通信設備中找到最終歸屬，助力一代又一代通信技術(shù)的升級迭代。